Zpracování zátěžných spekter převodovky osobního automobilu za různých jízdních podmínek

Katedra částí a mechanismů strojů Fakulta strojní, VŠB - Technická univerzita Ostrava 78 33 Ostrava-Poruba, 17.listopadu 15 Zpracování zátěžných spekter převodovky osobního automobilu za různých jízdních podmínek Zpracováno v rámci Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II identifikační číslo 1M568, číslo podaného projektu 1M684772 Vypracovali : doc. Ing. Zdeněk Folta, Ph.D.. Ing. Milena Hrudičková, Ph.D. Ostrava, prosinec 28 číslo zprávy: D14 VCJB 3.3.3/28

Obsah 1. Úvod... 3 2. Metodika získání zátěžových spekter... 3 2.1. Měřicí automobil... 3 2.2. Měřené veličiny... 4 2.2.1. Použité přístroje... 5 2.3. Měření točivého momentu... 5 2.3.1. Snímání z rotujících částí... 6 2.3.2. Rozvaha umístění snímačů točivého momentu na poloosách... 7 2.3.3. Úprava poloos... 9 2.3.4. Stanovení měřítka poloos... 12 2.3.5. Montáž měřicích poloos na automobil... 13 2.3.6. Další varianta provedení a umístění stacionární antény... 14 2.3.7. Konečné umístění stacionárních a rotačních antén... 15 2.4. Snímání aktuálně zařazeného rychlostního stupně... 16 2.5. Snímání okamžité rychlosti vozidla... 17 2.5.1. Stanovení měřítek snímačů okamžité rychlosti vozidla... 18 2.6. Snímání polohy pedálu akcelerace... 19 2.7. Měřítka použitých snímačů... 19 3. Trasy zkušebních jízd... 2 3.1. Charakteristika tras... 2 3.1.1. Městské trasy... 2 3.1.2. Příměstské a mimoměstské trasy... 2 3.1.3. Dálniční trasy... 2 3.1.4. Zkušební okruh a.s. Tatra Kopřivnice... 2 4. Metodika vyhodnocení zátěžných spekter... 23 4.1. Zpracování záznamů... 23 4.2. Točivý moment na vstupu převodovky... 24 4.3. Schematizace... 26 5. Výsledky schematizace seznam příloh... 32 2

1. Úvod Na základě změřených průběhů točivých momentů na obou poloosách, okamžité rychlosti vozidla, záznamu zařazeného rychlostního stupně a polohy plynového pedálu vytvořit komplexní zátěžná spektra převodovky osobního automobilu při různých režimech jízdy. Výsledky tohoto měření budou sloužit pro verifikaci simulačního modelu JÍZDA, který je vytvářen v rámci Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II identifikační číslo 1M568, číslo podaného projektu 1M684772, č. úkolu 3.3.2 - Verifikace počítačových modelů pomocí jízdních testů na definovaných tratích. 2. Metodika získání zátěžových spekter 2.1. Měřicí automobil Měření probíhalo na osobním voze ŠKODA Fabia 1,4 TDi (viz obr. 2.1). Parametry měřicího vozu jsou uvedeny v tabulce 2.1. Obr. 2.1 Měřicí vůz ŠKODA Fabia 1.4 TDi a výkonový diagram motoru Obr. 2.2 Pohled na uspořádání motoru 3

Tabulka 2.1 Parametry měřicího vozu: druh vozidla osobní automobil pneumatiky 165/7 R14 81 T karoserie hatchback nejvyšší rychlost km.h -1 168 typ 6Y řazení převodovky MAN varianta/verze palivo SCAMFX1/FM5 NM měsíc a rok výroby 9/24 spotřeba paliva metodika ES 1999/1 l/1 km zdvih. objem cm 3 1 422, max. výkon kw/ot. [min -1 ] město - 5,7 mimo město - 4,1 kombinovaná - 4,6 55,/4 Hodnoty poměrů jednotlivých převodových stupňů jsou uvedeny v tabulce 2.2 (zdroj: podklady WV). Tabulka 2.2 Převodové stupně převodový stupeň převodový poměr [-] I 11,548 II 6,58 III 4,372 IV 3,145 V 2,494 R 1,669 2.2. Měřené veličiny Pro ověření simulačního modelu JÍZDA byly za jízdy synchronně snímány: točivé momenty z pravé i levé poloosy, aktuálně zařazený rychlostní stupeň, okamžitá rychlost vozidla, poloha pedálu akcelerace. Dále byla z údajů palubního počítače odečítána: průměrná spotřeba paliva v měřeném úseku, ujetá vzdálenost. Hodnota ujeté vzdálenosti byla srovnávána s údajem z GPS, kde se zároveň ukládal také výškový profil a mapa každé ujeté trasy. 4

2.2.1. Použité přístroje Pro měření točivého momentu byl na obou poloosách použit telemetrický systém bezkontaktního snímání signálu z rotujících částí firmy M&M GmBH (D). Zařazený rychlostní stupeň byl snímán systémem dotykových mikrospínačů umístěných u řadicí páky. Okamžitá rychlost vozidla byla zaznamenávána a kontinuálně vyhodnocována z impulsního signálu magnetického snímače otáček instalovaného na obou poloosách. Poloha plynového pedálu byla snímána zkonstruovaným tenzometrickým snímačem. Schéma uspořádání měřicího řetězce je uvedeno na obr. 2.3. Obr. 2.3 Schéma uspořádání měřicího řetězce 2.3. Měření točivého momentu Poloosy jsou namáhány točivým momentem od pohonu při akceleraci a točivým momentem opačného znaménka při brzdění motorem. Dále jsou namáhány při brzdění kol. Točivý moment, kterým je zatížena převodovka při různých režimech jízdy, se projeví v poloosách. Znalost průběhu točivého momentu v poloosách umožní získat přehled o zatížení jednotlivých rychlostních stupňů převodovky a stanovit zátěžná spektra při různých režimech jízdy automobilu. Jednoduchý geometrický tvar a relativní přístupnost předurčují obě poloosy k relativně jednoduchému a přesnému získání zátěžových parametrů mezi převodovkou a kolem a přepočtem přes jednotlivé převodové stupně převodovky také mezi motorem a převodovkou. 5

2.3.1. Snímání z rotujících částí Měření točivého momentu na rotující součásti je možno provádět bezkontaktní metodou rotující a stacionární antény, tzv. telemetrií (viz obr. 2.4). Na povrchu rotující součásti (poloosy) jsou instalovány tenzometrické snímače (Sensor), od kterých jsou vodiče přivedeny přes zesilovač signálu (Sensor Signal Amplifier) na rotující anténu (Rotor loop). Z vnější strany rotující součásti je umístěna stacionární anténa (Stator loop), která prostřednictvím vysokofrekvenčního magnetického pole přijímá signál z tenzometrických snímačů a zároveň napájí rotující anténu i zesilovač signálu. Pro získání maximální síly měřeného signálu je nutné toto zařízení dodatečně naladit Limitujícím faktorem pro správnou funkci tohoto snímače je hodnota vzdálenosti stacionární antény od povrchu rotující antény, při které dochází k bezproblémovému přenosu měřených dat Stator loop Obr. 2.4 Bezkontaktní metoda měření na rotující součásti Technické řešení rotující antény může být provedeno různými způsoby. Může být tvořena vodičem kruhového průřezu uloženým v izolační vrstvě nalepené na povrchu hřídele (viz obr. 2.5) nebo je vodič tvořen měděnou fólií nalepenou přes izolační podklad (viz obr. 2.6). Protože je tento způsob přenosu signálu velmi závislý na místě zabudování a množství a druhu okolního materiálu (např. velké množství kovových částí v bezprostřední blízkosti antén výrazně snižuje dosah signálu), je nutné experimentálně ověřit funkčnost konkrétního provedení rotující antény na místě měření. Maximální vzdálenost antén pro přenos signálu deklarovaná výrobcem použité aparatury je až 4 mm. Pokud by se podařilo docílit přenosu signálu na tuto vzdálenost, neměl by nastat problém snímat točivý moment z poloos i v místě u kol, kde dochází k maximálnímu vertikálnímu posunu poloos v důsledku přejezdu 6

nerovnosti. Problematika přenosu signálu v reálných podmínkách na automobilu je rozvedena v následujících kapitolách. Obr. 2.5 Způsob provedení rotující antény kruhovým vodičem rotor loop stator loop Obr. 2.6 Rotující anténa tvořená měděnou fólií 2.3.2. Rozvaha umístění snímačů točivého momentu na poloosách Označení poloos pravá a levá bylo zvoleno podle orientace vzhledem ke směru jízdy vozu. Na obr. 2.7 je čelní pohled na podvozek měřicího vozu s označením obou poloos, na kterých budou umístěny snímače telemetrie. pravá poloosa levá poloosa Obr. 2.7 Čelní pohled na podvozek měřicího vozu 7

Obr. 2.8 Detailní pohled na levou poloosu (pohled zezadu) Obr. 2.9 Předpokládaná poloha stacionární antény na pravé poloose 8

Obr. 2.1 Detailní pohled na pravou poloosu (pohled zezadu) Obr. 2.11 Předpokládaná poloha stacionární antény na pravé poloose 2.3.3. Úprava poloos Po demontáži obou poloos ( obr. 2.2 a 2.16) bylo nutné vybrat a upravit místa vhodná pro instalaci tenzometrů. Pro měření točivého momentu byly zvoleny křížové tenzometry (tzv. rybí kost) firmy Hottinger GmBH (viz obr. 2.14) s konstantou tenzometru k = 2,4 a byly umístěny vždy do středu délky každé poloosy. 9

Obr. 2.12 Levá poloosa před úpravou Obr. 2.13 Identifikační označení levé poloosy od výrobce Po instalaci tenzometrů bylo doplněno upevnění zesilovače signálu a jeho napojení na výstup z tenzometrů (obr. 2.15). Následně byla nainstalována stacionární anténa telemetrie (stator loop) a propojena se zesilovačem (obr. 2.19). Úprava pravé poloosy byla obdobná (obr. 2.18 a 2.19). Pro instalaci byly použity stejné komponenty jako pro levou poloosu. Obr. 2.14 Tenzometry použité pro měření točivého momentu z poloos Obr. 2.15 Levá poloosa po instalaci tenzometrických snímačů, zesilovače signálu a rotační antény Obr. 2.16 Pravá poloosa před úpravou 1

Obr. 2.17 Identifikační označení pravé poloosy od výrobce Obr. 2.18 Pravá poloosa po instalaci tenzometrických snímačů, zesilovače signálu a rotační antény Po kompletní instalaci obou poloos byla v laboratorních podmínkách vyzkoušena funkčnost přenosu signálu z rotačních na stacionární antény (obr. 2.19). Funkční rozsah vzdálenosti obou antén se pohyboval do 15 mm, tedy výrazně níže, než uváděl výrobce telemetrie (údajně běžně až 4 mm). Obr. 2.19 Ověření funkce snímačů po kompletní přípravě (včetně stacionárních antén) 11

2.3.4. Stanovení měřítka poloos Stanovení měřítka obou poloos probíhalo při upnutí ve sklíčidle soustruhu (viz obr. 2.2) a zatěžování poloosy točivým momentem vyvolaným závažím na páce. Na páku bylo zavěšováno závaží o hmotnosti 9,68 kg postupně na rameni délky,6;,8; 1, a 1,2 m a byly odečítány hodnoty měřicího napětí U mi [V] z tenzometrů. Zatěžování proběhlo 3krát a naměřené hodnoty byly zpracovány do tabulek 2.3 a 2.4, grafy jsou na obr. 2.21 a 2.22. 9,68 kg Obr. 2.2 Zatěžování poloosy pákou délky 1, a 1,2 m a závažím o hmotnosti 9,68 kg Tabulka 2.3 Zatěžování levé poloosy Rameno Závaží Mk Um1 Um2 Um3 m kg Nm V V V, 9,68,,,,,6 9,68 56,98,5234,527,5272,8 9,68 75,97,6986,6988,76 1, 9,68 94,96,8746,8732,8726 1,2 9,68 113,95 1,486 1,53 1,493 Směrnice Nm/V 18,6292 18,6277 18,768 Korelace 1,,99999,99999 Směrnice Nm/V 18,655 Sm. odch.,34% Měřicí napětí Um, V 1,2 1,,8,6,4,2 Um1 Um2 Um3 y =,92x R² = 1, 2 4 6 8 1 12 Krouticí moment M k, Nm Obr. 2.21 Zatěžování levé poloosy 12

Tabulka 2.4 Zatěžování pravé poloosy Rameno Závaží Mk Um1 Um2 Um3 m kg Nm V V V, 9,68,,,,,6 9,68 56,98,542,543,541,8 9,68 75,97,729,7241,7252 1, 9,68 94,96,972,979,922 1,2 9,68 113,95 1,886 1,896 1,827 Směrnice Nm/V 14,578 14,5811 15,261 Korelace,99998 1,,99999 Směrnice Nm/V Sm. odch. 14,786,28% Měřicí napětí Um, V 1,2 1,,8,6,4,2 Um1 Um2 Um3 y =,95x R² = 1, 2 4 6 8 1 12 Krouticí moment M k, Nm Obr. 2.22 Zatěžování pravé poloosy Tabulka 2.5 Měřítka pro výpočet krouticího momentu poloosa měřítko Nm/V levá 18,655 pravá 14,79 2.3.5. Montáž měřicích poloos na automobil Po montáži upravených poloos na automobil se ukázalo, že se nepodaří umístit stacionární antény do míst podle původního záměru blíže ke kolům (např. u levé poloosy na obr.2.23), protože vertikální pohyb poloos u kol je tak velký, že by antény ztrácely signál. Obr. 2.23 Zamýšlené umístění stacionární antény na levé poloose 13

Také se potvrdila skutečnost, že při této instalaci není možné docílit přenos signálu při výrobcem deklarované vzdálenosti antén. Díky výskytu množství kovových částí v blízkosti poloos, což má vliv na sílu přenášeného signálu, se vzdálenost antén pro přenos signálu musela snížit až na cca 8 mm. 2.3.6. Další varianta provedení a umístění stacionární antény Rotační anténa byla tentokrát tvořena vodičem uloženým na disku vyrobeném ze silonu. Disk byl umístěn na přírubě poloosy v blízkosti převodovky (viz obr. 2.24 a 2.25). Obr. 2.24 Variantní umístění rotační antény na pravé poloose Obr. 2.25 Variantní umístění rotační antény na levé poloose 14

2.3.7. Konečné umístění stacionárních a rotačních antén Zabudování antén blíže k převodové skříni s sebou přineslo problémy s velmi omezeným prostorem pro zabudování stacionární antény. Konečného umístění antén obou poloos bylo dosaženo po řadě pokusů a několika verzích držáků stacionárních antén tak, aby se při jízdě automobilu po nerovném terénu i při ostrém zatáčení neztrácel signál. Konečná verze umístění antén na pravé poloose je na obr. 2.26. U levé poloosy byla situace s prostorem pro zabudování antény o něco příznivější a také maximální Obr. 2.26 Konečné umístění antén na pravé poloose vertikální vychýlení poloosy v místě (pohled od pravého kola k převodové skříni) antény nebylo vzhledem k její délce tak velké, jako u pravé poloosy. Zabudování antén na levé poloose je uvedeno na obr. 2.27. Obr. 2.27 Konečné umístění antén na levé poloose (pohled ve směru jízdy od podélné osy automobilu k levému přednímu kolu) 15

2.4. Snímání aktuálně zařazeného rychlostního stupně Pro přesnou a jednoznačnou identifikaci aktuálně zařazeného převodového stupně bylo nutné navrhnout a zkonstruovat způsob snímání, který by umožňoval synchronní záznam společně s ostatními snímanými veličinami. Toho bylo dosaženo zabudováním mikrospínačů do prostoru tyče řadicí páky. Pro každý z převodových stupňů I až V byl mikrospínač umístěn tak, aby se při zařazení stupně sepnul a zůstal sepnutý až do vyřazení stupně. Pro snadnější orientaci byla použitím předřazených odporů upravena hodnota výstupního napětí jednotlivých mikrospínačů tak, aby odpovídala zařazenému stupni, tj. pro stupeň I 1 V, II 2 V atd. Obr. 2.28 Pohled na snímač zařazeného stupně Na obr. 2.28 a 2.29 jsou pohledy na snímání aktuálního zařazeného stupně. Obr. 2.29 Boční pohled na snímač zařazeného stupně 16

2.5. Snímání okamžité rychlosti vozidla Součástí telemetrického snímání točivých momentů z každé poloosy je snímač otáček poloosy. Tento snímač pracuje na principu kontinuálního snímání elektrických impulsů vznikajících při průchodu permanentního magnetu blízkým okolím stacionární antény. Pro převod rychlosti otáčení (frekvence) poloosy na hodnotu elektrického napětí slouží převodník, jehož elektrické schéma je uvedeno na obrázku 2.3. Převodník je konstruován na možnost napájení z autobaterie nebo externě 9 V baterií a je umístěn v interiéru zkušebního vozidla (obr. 2.31). Obr. 2.3 Schéma zapojení převodníku f/u převodník f/u Obr. 2.31 Umístění převodníku f/u v interiéru zkušebního vozidla 17

2.5.1. Stanovení měřítek snímačů okamžité rychlosti vozidla V následujících tabulkách 2.6 až 2.8 je uvedeno stanovení měřítek pro výpočet okamžité rychlosti vozidla pro obě poloosy. Levá poloosa: Tab. 2.6 Snímač rychlosti na levé poloose Měřicí napětí U m Okamžitá rychlost v o V km.h -1,, 2,581 51,189 4,858 96,623 6,744 134,625 Okamžitá rychlost ao, km.h -1 16 14 12 1 8 6 4 2 y = 19,928x R 2 = 1 1 2 3 4 5 6 7 Měřicí napětí U m, V Pravá poloosa: Tab. 2.7 Snímač rychlosti na pravé poloose Měřicí napětí U m Okamžitá rychlost v o V km.h -1,, 2,432 51,177 4,568 96,419 6,341 133,942 Okamžitá rychlost, km.h -1 16 14 12 1 8 6 4 2 y = 21,111x R² = 1 1 2 3 4 5 6 7 Měřicí napětí, V Tabulka 2.8 Měřítka pro výpočet okamžité rychlosti poloosa měřítko km.h -1 /V levá 19,928 pravá 21,111 Výsledná okamžitá rychlost vozidla vstupující do výpočtů schematizace je brána jako střední hodnota z obou poloos. 18

2.6. Snímání polohy pedálu akcelerace Kontinuální snímání aktuální polohy pedálu akcelerace během zkušebních jízd bylo zprostředkováno snímačem vlastního návrhu a konstrukce fungujícího na základě tenzometrického snímače deformace ocelového pásku. Citlivost a linearita tohoto snímače byla ověřena srovnávací metodou. Tenzometrický snímač polohy pedálu akcelerace Obr. 2.32 Pohled na instalovaný snímač polohy pedálu akcelerace Tabulka 2.9 Stanovení měřítka pro přepočet na procentuální stlačení pedálu rozsah měřicího napětí, V stlačení pedálu, % 1,5 1 měřítko 66,67 % / V 2.7. Měřítka použitých snímačů V následující tabulce 2.1 je uveden souhrn měřítek jednotlivých snímačů použitých při získávání vstupních údajů pro následnou schematizaci. snímač poloosa měřítko jednotky krouticí moment levá 18,655 Nm / V pravá 14,79 Nm / V okamžitá rychlost levá 19,928 km.h -1 / V pravá 21,111 km.h -1 / V poloha pedálu akcel. - 66,67 % / V 19

3. Trasy zkušebních jízd Trasy zkušebních jízd byly zvoleny v Ostravě a okolí s ohledem na poměrné zastoupení různých jízdních režimů při běžném provozu osobního vozu, tj. městský režim, příměstský a meziměstský režim a dálniční režim. Pro získání zátěžných spekter při některých speciálních režimech s vyloučením okolní silniční dopravy (z důvodu bezpečnosti a pravidel silničního provozu) byly zvoleny vybrané úseky na zkušebním polygonu a.s. Tatra Kopřivnice. Charakteristika jednotlivých typů tras je uvedena níže. 3.1. Charakteristika tras 3.1.1. Městské trasy Zkušební jízdy po tzv. městských trasách byly vedeny po komunikacích I. a II. třídy s typickým městským provozem včetně tramvajového obsahujícím jízdu rychlostí nejčastěji do 5 km/h, zastavování a rozjezdy na světelných křižovatkách, odbočování apod. Celková ujetá délka městských tras byla 58,9 km s průměrnou rychlostí jízdy okolo 3 km/h. 3.1.2. Příměstské a mimoměstské trasy Trasy byly vedeny mimo centra větších měst s hustou dopravou po komunikacích I. třídy za běžného silničního provozu. Výjimku tvoří trasa FABD6 (v tabulce 3.1 označena hvězdičkou), která byla vedena po komunikaci II. třídy s výrazným stoupáním a klesáním. 3.1.3. Dálniční trasy Dálniční trasy zahrnovaly 3 rozjezdy se stoupající razancí z do 13 km/h s následným zastavením brzděním motorem a jízdu po dálnici rychlostí 13 km/h. 3.1.4. Zkušební okruh a.s. Tatra Kopřivnice Pro získání spekter zatížení při speciálních režimech vyžadujících vyloučení běžného silničního provozu nebo speciální povrch vozovky byl využit zkušební okruh a.s. Tatra Kopřivnice. Z nabídky zkušebního okruhu jsme využili rychlostní a svahový okruh a speciální vozovky s povrchem z různých materiálů (živičný, betonový, žulové kostky apod.) a s různým provedením povrchu (např. sinusová rezonanční vozovka). Uspořádání jednotlivých zkušebních tras na okruhu je uvedeno na obr. 3.1 (označeny šipkou v legendě). 2

Obr. 3.1 Situační plán zkušebního areálu a.s. Tatra Kopřivnice 21

typ trasy příměstská a mimoměstská trasa dálnice městská trasa zkušební okruh TATRA Kopřivnice Pro testovací jízdy zkušebního vozidla byly vybrány tyto trasy: Tabulka 3.1 Trasa záznam délka [km] průměrná rychlost [km.h -1 ] průměrná spotřeba [l/1km] areál VŠB-TUO - Klimkovice FABD1 7, 49,76 8,4 Klimkovice - areál VŠB-TUO FABD2 8,2 5,4 5,3 areál VŠB-TUO Opava FABD5 21,3 53,36 5,5 Opava - Bílovec FABD6 27,7 48,22 5,5 Bílovec - Klimkovice FABD7 9,6 64,45 4,8 areál VŠB-TUO - Petřvald FABD14 19,4 5,38 5,5 Petřvald - Kopřivnice FABD15 15, 53,74 5,1 Příbor - Studénka FABD31 12,3 56,5 5, Studénka areál VŠB-TUO FABD33 17,4 46,43 5,2 Ostrava - Bohumín FABD8 2,7 76,3 - nájezd Klimkovice směr Bohumín FABD1 2,6 82,7 5,8 směr Bohumín FABD11 2,46 86,87 7, směr hran. přechod Chalupki FABD12 9,6 74,55 5,5 Ostrava-Přívoz areál VŠB-TUO FABD13 14,6 31,8 5,6 areál VŠB-TUO Ostrava centrum FABD34 11,7 26,55 5,5 Ostrava centrum O.-Michálkovice FABD35 9, 28,52 5,8 O.-Michálkovice O.-Radvanice FABD36 13, 29,23 6, O.-Radvanice areál VŠB-TUO FABD37 1,6 3,79 5,6 1 - rychlostní okruh, doleva FABD16 1,6 66,6-1 - rychlostní okruh, doleva FABD17 1,6 65, 8,2 1 - rychlostní okruh, doleva FABD18 1,6 72,32 8, 1 - rychlostní okruh, doleva FABD19 1,6 73,5 7,9 3 okruh svahů, přímý úsek, svah 1% nahoru FABD2,45 36,73 15,7 3 okruh svahů, přímý úsek, svah 1% nahoru FABD21,45 45,44 14,5 3 okruh svahů, přímý úsek, svah 6% nahoru FABD22,45 45,7 21,7 3 okruh svahů, přímý úsek, svah 6% nahoru FABD23,45 48,34 22,5 17b strmý svah 17%, nahoru FABD24,15 35,76-17b strmý svah 17%, nahoru FABD26,15 55,4-18 strmý svah 22% FABD25,15 36,56-12 - dlážděná vozovka FABD27,4 52,27 11,9 12 - dlážděná vozovka FABD28,4 54,71 11,6 13 - sinusová rezonanční vozovka, vlny ve fázi FABD29,4 64,4-13 - sinusová rezonanční vozovka, vlny v protifázi FABD3,4 72,65 - Jízdy po městských, mimoměstských a dálničních trasách byly absolvovány za běžného silničního provozu. Jízdy na zkušebním okruhu a.s. Tatra Kopřivnice byly absolvovány během sólových jízd vybranými zkušebními okruhy. 22

4. Metodika vyhodnocení zátěžných spekter Pro vyhodnocení naměřených dat byl využit program FlexPro, pro finální přepočet zátěžných spekter ze závislosti točivého momentu na čase T = f(t) na závislosti na počtu otáček T = f(n) a pro zobrazení zátěžných spekter byl využit Microsoft Excel. Postup vyhodnocení je dokumentován na záznamu FABD_17, což je jedna jízda po okruhu TATRA. 4.1. Zpracování záznamů Originální záznam obsahuje pevně stanovený počet vzorků, z nichž jen část je použita pro reálný záznam měřených dat, jimiž jsou: točivý moment na levé a pravé poloose; otáčky na levé a pravé poloose; úroveň stlačení pedálu akcelerace; zařazený převodový stupeň. Ze záznamu jsou extrahována měřená data a jsou přepočtena pomocí měřítek uvedených v kapitole 2.7. Příkladem získaných průběhů ve fyzikálních jednotkách je graf na obr. 4.1 obsahující: točivý moment na levé (na grafu T_levé_kolo ) a pravé poloose ( T_pravé_kolo ); rychlost jízdy na levém (na grafech Rychlost_levé_kolo ) a pravém kole ( Rychlost_pravé_kolo ); úroveň stlačení plynového pedálu ( Pedál akcelerace ); zařazený převodový stupeň ( Prevodovy_stupen ). T_levé_kolo [Nm] 8 T_pravé_kolo [Nm] 6 4 2-2 -4 Rychlost_levé_kolo [km/h] 18 Rychlost_pravé_kolo [km/h] 15 12 9 6 3-3 Pedál_akcelerace [%] 1 8 6 4 2 Převodový_stupeň [-] 6 5 4 3 2 1-81 -72-63 -54-45 -36-27 -18-9 Čas [s] Obr. 4.1 - Diagram naměřených a přepočtených parametrů 23

4.2. Točivý moment na vstupu převodovky Na základě znalosti zařazeného převodového stupně; známého průběhu výstupních otáček (získaných průměrováním otáček na obou měřených poloosách); známých převodů jednotlivých převodových stupňů (viz tab. 2.2); bylo možno provést kalkulaci točivého momentu na vstupu do převodovky. Tento přepočet byl realizován bez započtení účinností. V okamžiku jízdy bez zařazeného rychlostního stupně byly použity volnoběžné otáčky 9 min -1. Použitá syntaxe výpočtu otáček na vstupu převodovky je následující: Dim Data = Otacky_kol Dim Stupen = Prevodový_stupeň For Each Row i In Data Do If Stupen.Y[i] <.5 Then Data.Y[i] = 9. // Volnoběžné otáčky ElseIf Stupen.Y[i] < 1.1 Then Data.Y[i] = Data.Y[i] * 11.548 // Rychlostní stupeň 1 ElseIf Stupen.Y[i] < 2.1 Then Data.Y[i] = Data.Y[i] * 6.58 // Rychlostní stupeň 2 ElseIf Stupen.Y[i] < 3.1 Then Data.Y[i] = Data.Y[i] * 4.372 // Rychlostní stupeň 3 ElseIf Stupen.Y[i] < 4.1 Then Data.Y[i] = Data.Y[i] * 3.145 // Rychlostní stupeň 4 ElseIf Stupen.Y[i] < 5.1 Then Data.Y[i] = Data.Y[i] * 2.494 // Rychlostní stupeň 5 Else Data.Y[i] =. // Ošetření náhodných poruch End End Data Pro dimenzování zatížení ozubení jednotlivých převodových stupňů je nutno získat točivý moment na vstupu převodovky s ohledem na zařazený převodový stupeň. Toto bylo rovněž zpracováno programem FlexPro. Následující syntaxe popisuje získání průběhu točivého momentu pro zařazený 1. převodový stupeň: Dim Data = T_motoru Dim Stupen = Převodový_stupeň For Each Row i In Data Do If Stupen.Y[i] <> 1. Then Data.Y[i] =. End End Data 24

Příklad točivých momentů pro jednotlivé převodové stupně je na obr. 4.2. Pátý převodový stupeň nebyl při této jízdě použit. 18 12 6 T_motoru_R1 [Nm] -6-12 3 2 1 T_motoru_R2 [Nm] -1-2 3 2 1 T_motoru_R3 [Nm] -1-2 24 16 8 T_motoru_R4 [Nm] -8-16 1,2,9 T_motoru_R5 [Nm],6,3-8 -6-4 -2 Obr. 4.2 Průběhu točivého momentu na vstupu převodovky pro jednotlivé převodové stupně. 12 Celkový přehled průběhů, které byly následně použity pro schematizaci, je na příkladu na následujícím obrázku 4.3. 9 6 Otáčky_kol [ot/min] 3-3 12 9 6 Otáčky_motoru [ot/min] 3-3 5 4 Převodový_stupeň [-] 3 2 T_motoru_R1 [Nm] T_motoru_R2 [Nm] T_motoru_R3 [Nm] T_motoru_R4 [Nm] T_motoru_R5 [Nm] Rychlost [km/h] 3 2 1-1 -2 12 9 6 3-3 -8 Obr. 4.3 Vstupní průběhy pro schematizaci -6-4 -2 25

4.3. Schematizace Schematizace byla pro každý sledovaný parametr prováděna do 4 stejnoměrně rozdělených hladin. Podle vyhodnocených průběhů z naměřených tras byl stanoven rozsah hladin pro schematizaci z maximálních rozsahů točivých momentů, rychlostí i otáček, a to následovně: Hladiny_Ot_motor:... +8 ot/min (41 hladin po 2 ot/min) Hladiny_Ot_vystup:... +16 ot/min (cca 16 km/h) (41 hladin po 3 ot/min) Hladiny_T_motor: -15... +3 Nm (41 hladin po 12 Nm) Hladiny_T_vystup: - 12... +18 Nm (41 hladin po 75 Nm) Hladiny_Rychlost_jizdy:... +2 km/h (41 hladin po 5 km/h) Pro vlastní schematizaci byla použita dvouhladinová metoda Compound count. Vstupními parametry byly: otáčky motoru a točivý moment motoru pro jednotlivé převodové stupně pro schematizaci vstupního točivého momentu; otáčky na výstupu převodovky a točivý moment na výstupu pro schematizaci výstupního točivého momentu. Výsledkem každé schematizace je matice, kde v řádcích jsou hladiny točivého momentu a ve sloupcích hladiny otáček. Hodnota v matici odpovídá relativnímu časovému výskytu dané hladiny točivého momentu v dané hladině otáček (celkový čas jízdy je 1 %). Příklad pro rychlostí stupeň R1je v tab. 4.1 a její grafická reprezentace je na obr. 4.4. Tab. 4.1 Část tabulky výsledků schematizace vstupního točivého momentu pro zařazený rychlostní stupeň 1 26

[Nm] 1 [ot/min] 1 1 1,1,1-144 -18-72 -36 24 48 72 9612 156 192 228 264 3 336 8 1,6 1 3 2,4 1 3 3,2 1 3 4 1 3 4,8 1 3 5,6 1 3 6,4 1 3 7,2 1 3 8 1 3 Obr. 4.4 - Graf relativního časového výskytu točivého momentu v hladině,1,1 Schematizace_R1 Výsledky schematizace byly pro další zpracování převedeny do tabulkového procesoru Microsoft Excel (obr. 4.5). Obr. 4.5 Převedené výsledky schematizace viz tab. 4.1 27

Pomocí tabulkového procesoru bylo upraveno pořadí hladin momentů. Schematizace programem FlexPro používá vzestupný systém hladin, pro vykreslování výsledků schematizace do podoby shodné s tvarem Wöhlerovy křivky bylo nutno provést seřazení hladin sestupně od nejvyšší k nejnižší. Pro každou hladinu pak byla vypočtena její relativní četnost výskytu ti t i, rel = (4.1) t i a relativní kumulativní četnost pro první hladinu: t, rel, cum t1, rel 1 = (4.2) pro ostatní hladiny: t i, rel, cum ti, rel + ti 1, rel = (4.3) Uvedené časové četnosti jsou uvedeny v tabulce a vykresleny do grafu (viz příklad na obr. 4.6). Četnosti v hladině točivého momentu Nm nebyly zahrnuty do výpočtu. Střed hladiny momentu Relativní četnost Kumulativní četnost Nm - - 336,E+,E+ 324,E+,E+ 312,E+,E+ 3,E+,E+ 288,E+,E+ 276,E+,E+ 264,E+,E+ 252,E+,E+ 24,E+,E+ 228,E+,E+ 216,E+,E+ 24,E+,E+ 192,E+,E+ 18,E+,E+ 168,E+,E+ 156,E+,E+ 144 1,715E-2 1,715E-2 132 4,246E-2 5,961E-2 12 5,44E-2 1,11E-1 18 6,777E-2 1,778E-1 96 6,453E-2 2,424E-1 84 6,34E-2 3,54E-1 72 2,633E-2 3,317E-1 6 3,291E-2 3,646E-1 48 3,532E-2 4,E-1 36 3,6E-2 4,36E-1 24 1,279E-2 4,434E-1 12 1,131E-2 4,547E-1,E+ 4,547E-1-12 9,271E-3 4,639E-1-24 2,92E-1 7,559E-1-36 8,353E-2 8,394E-1-48 1,242E-2 8,518E-1-6 5,943E-2 9,113E-1-72 8,826E-2 9,995E-1-84 4,636E-4 1,E+ Střed hladiny točivého momentu, Nm 324 3 276 252 228 24 18 156 132 18 84 6 36 12-12 -36-6 -84-18 Záznam FABD17 - převodový stupeň 1 Relativní četnost výskytu vztažená na čas 7 4,6E-4 1,7E-2 4,2E-2 5,E-2 6,8E-2 6,5E-2 6,3E-2 2,6E-2 3,3E-2 3,5E-2 3,1E-2 1,3E-2 1,1E-2-96,E+ 1,E+ Čas jízdy na měřeném úseku celkem 88,6 s = 1,48 min = 1,% -18,E+ 1,E+ z toho daným převodovým stupněm 1,79 s =,18 min = 12,17% -12,E+ 1,E+ Pro tažnou stranu 4,9 s =,8 min = 5,54% -132,E+ 1,E+ a pro zpětnou stranu 5,88 s =,1 min = 6,64% -144,E+ 1,E+ 9,3E-3 1,2E-2 Relativní četnost Kumulativní četnost 8,4E-2 5,9E-2 8,8E-2 2,9E-1-132 1,E-4 1,E-3 1,E-2 1,E-1 1,E+ Časová relativní četnost výskytu hladiny Obr. 4.6 Časové četnosti výskytu hladin momentu Uvedená schematizace dává informace o časovém působení jednotlivých hladin točivého momentu. Pro výpočet ozubení a ložisek je důležité znát nikoliv čas, ale počet otočení v dané 28

hladině. Protože schematizace byla provedena v závislosti na okamžitých otáčkách n i, bylo možno provést přepočet časového působení t i na počet otočení hřídele N i podle vztahu N i = t n (4.4) i i Příklad upravené matice s otáčkovou četností je na obr. 4.7. Obr. 4.7 Matice otáčkové četnosti výskytu hladin točivého momentu I zde byla pro každou hladinu vypočtena její relativní četnost výskytu Ni N i, rel = (4.5) N i a relativní kumulativní četnost pro první hladinu: N, rel, cum N1, rel 1 = (4.6) pro ostatní hladiny: N i, rel, cum Ni, rel + Ni 1, rel = (4.7) Uvedené otáčkové četnosti jsou uvedeny v tabulce a vykresleny do grafu (viz příklad na obr. 4.8). I zde četnosti v hladině točivého momentu Nm nebyly zahrnuty do výpočtu. 29

Střed hladiny momentu Relativní četnost Kumulativní četnost Nm - - 336,E+,E+ 324,E+,E+ 312,E+,E+ 3,E+,E+ 288,E+,E+ 276,E+,E+ 264,E+,E+ 252,E+,E+ 24,E+,E+ 228,E+,E+ 216,E+,E+ 24,E+,E+ 192,E+,E+ 18,E+,E+ 168,E+,E+ 156,E+,E+ 144 2,73E-3 2,73E-3 132 2,496E-2 2,77E-2 12 3,671E-2 6,441E-2 18 4,755E-2 1,12E-1 96 3,581E-2 1,478E-1 84 2,728E-2 1,75E-1 72 1,45E-2 1,891E-1 6 2,953E-2 2,186E-1 48 1,336E-2 2,32E-1 36 1,921E-3 2,339E-1 24,E+ 2,339E-1 12,E+ 2,339E-1,E+ 2,339E-1-12 1,323E-2 2,471E-1-24 3,511E-1 5,983E-1-36 1,188E-1 7,171E-1-48 1,98E-2 7,369E-1-6 1,87E-1 8,455E-1-72 1,537E-1 9,992E-1-84 7,817E-4 1,E+ Střed hladiny točivého momentu, Nm 324 3 276 252 228 24 18 156 132 18 84 6 36 12-12 -36-6 -84-18 Záznam FABD17 - převodový stupeň 1 Relativní četnost výskytu vztažená na počet otáček vstupního hřídele -96,E+ 1,E+ Celkový počet otočení motoru za jízdu 4 793,6 = 1,% -18,E+ 1,E+ z toho pro daný převodový stupeň 597, = 12,45% -12,E+ 1,E+ Pro tažnou stranu 139,6 = 2,91% -132,E+ 1,E+ a pro zpětno stranu 457,3 = 9,54% -144,E+ 1,E+ Průměrné otáčky během zařazeného stupně 55,3 1/s = 332,8 1/min 7,8E-4 1,9E-3 2,7E-3 2,5E-2 3,7E-2 4,8E-2 3,6E-2 2,7E-2 1,4E-2 3,E-2 1,3E-2 1,3E-2 2,E-2 Relativní četnost 1,2E-1 1,1E-1 1,5E-1 3,5E-1-132 1,E-4 1,E-3 1,E-2 1,E-1 1,E+ Otáčková relativní četnost výskytu hladiny Obr. 4.8 Otáčkové četnosti výskytu hladin momentu Kumulativní četnost Uvedené schematizace byly provedeny pro každou jízdu pro: o točivý moment při zařazeném 1. převodovém stupni o točivý moment při zařazeném 2. převodovém stupni o točivý moment při zařazeném 3. převodovém stupni o točivý moment při zařazeném 4. převodovém stupni o točivý moment při zařazeném 5. převodovém stupni o točivý moment na vstupu do převodovky o točivý moment na výstupu z převodovky Součástí každé schematizace jsou statistické informace: a) pro časovou schematizaci: čas jízdy na měřeném úseku celkem; z toho daným převodovým stupněm; z toho pro tažnou stranu; a pro zpětnou stranu; b) pro otáčkovou schematizaci: celkový počet otočení motoru za jízdu měřeným úsekem; z toho pro daný převodový stupeň; 3

z toho pro tažnou stranu; a pro zpětnou stranu; průměrné otáčky během zařazeného stupně. Závěrem je pro každou jízdu zpracována souhrnná tabulka uvedených statistických informací, její příklad je v tab. 4.2 Tab. 4.2 Záznam FABD_17 souhrnné statistické údaje. Čas jízdy na měřeném úseku celkem z toho 1.převodový stupeň 2.převodový stupeň 3.převodový stupeň 4.převodový stupeň 5.převodový stupeň bez zařazenho stupně Tažná strana v záběru z toho 1.převodový stupeň 2.převodový stupeň 3.převodový stupeň 4.převodový stupeň 5.převodový stupeň Zpětná strana v záběru z toho 1.převodový stupeň 2.převodový stupeň 3.převodový stupeň 4.převodový stupeň 5.převodový stupeň 88,6 s = 1,48 min = 1,% Celkový počet otočení motoru za jízdu 4793,6 = 1,% 1,79 s =,18 min = 12,2% z toho 1.převodový stupeň 597, = 12,5% 16,49 s =,27 min = 18,6% 2.převodový stupeň 119,6 = 24,8% 29,17 s =,49 min = 32,9% 3.převodový stupeň 1992,5 = 41,6% 9,38 s =,16 min = 1,6% 4.převodový stupeň 477,5 = 1,%, s =, min =,% 5.převodový stupeň, =,% 22,78 s =,38 min = 25,7% bez zařazenho stupně 536, = 11,2% 35,67 s =,59 min = 4,3% Tažná strana v záběru 2185,2 = 45,6% 4,9 s =,8 min = 5,5% z toho 1.převodový stupeň 139,6 = 2,9% 5,63 s =,9 min = 6,4% 2.převodový stupeň 352,9 = 7,4% 22,54 s =,38 min = 25,4% 3.převodový stupeň 1554,4 = 32,4% 2,59 s =,4 min = 2,9% 4.převodový stupeň 138,3 = 2,9%, s =, min =,% 5.převodový stupeň, =,% 3,14 s =,5 min = 34,% Zpětná strana v záběru 272,4 = 43,2% 5,88 s =,1 min = 6,6% z toho 1.převodový stupeň 457,3 = 9,5% 1,86 s =,18 min = 12,3% 2.převodový stupeň 837,7 = 17,5% 6,62 s =,11 min = 7,5% 3.převodový stupeň 438,1 = 9,1% 6,79 s =,11 min = 7,7% 4.převodový stupeň 339,3 = 7,1%, s =, min =,% 5.převodový stupeň, =,% Výše uvedeným způsobem byly vyhodnoceny všechny naměřené úseky, jejichž přehled je v tab. 3.1. Poznámka: jestliže při některé z jízd nebyl zařazen některý převodový stupeň, nejčastěji stupeň 5, je v příloze uvedena prázdná tabulka a graf podle následujícího obrázku 4.9 aby nedošlo k nedorozumění, že chybí některá spektra. Střed hladiny momentu Relativní četnost Kumulativní četnost Záznam FABD17 - převodový stupeň 5 Nm - - Relativní četnost výskytu vztažená na počet otáček vstupního hřídele 336 #DIV/! #DIV/! 324 #DIV/! #DIV/! 324 312 #DIV/! #DIV/! 3 3 #DIV/! #DIV/! Relativní četnost 288 #DIV/! #DIV/! 276 276 #DIV/! #DIV/! Kumulativní četnost 252 264 #DIV/! #DIV/! 252 #DIV/! #DIV/! 228 24 #DIV/! #DIV/! 24 228 #DIV/! #DIV/! 216 #DIV/! #DIV/! 18 24 #DIV/! #DIV/! 156 192 #DIV/! #DIV/! 18 #DIV/! #DIV/! 132 168 #DIV/! #DIV/! 18 156 #DIV/! #DIV/! 144 #DIV/! #DIV/! 84 132 #DIV/! #DIV/! 6 12 #DIV/! #DIV/! 18 #DIV/! #DIV/! 36 96 #DIV/! #DIV/! 12 84 #DIV/! #DIV/! 72 #DIV/! #DIV/! -12 6 #DIV/! #DIV/! -36 48 #DIV/! #DIV/! 36 #DIV/! #DIV/! -6 24 #DIV/! #DIV/! -84 12 #DIV/! #DIV/! #DIV/! #DIV/! -18-12 #DIV/! #DIV/! -132-24 #DIV/! #DIV/! -36 #DIV/! #DIV/! 1,E-4 1,E-3 1,E-2 1,E-1 1,E+ -48 #DIV/! #DIV/! -6 #DIV/! #DIV/! Otáčková relativní četnost výskytu hladiny -72 #DIV/! #DIV/! -84 #DIV/! #DIV/! -96 #DIV/! #DIV/! Celkový počet otočení motoru za jízdu 4 793,6 = 1,% -18 #DIV/! #DIV/! z toho pro daný převodový stupeň, =,% -12 #DIV/! #DIV/! Pro tažnou stranu, =,% -132 #DIV/! #DIV/! a pro zpětno stranu, =,% -144 #DIV/! #DIV/! Průměrné otáčky během zařazeného stupně #DIV/! 1/s #DIV/! = 1/min Střed hladiny točivého momentu, Nm Obr. 4.9 Prázdná tabulka a graf pro nepoužité převodové stupně 31

5. Výsledky schematizace seznam příloh Výsledky schematizací absolvovaných jízd dle seznamu v tabulce 3.1 jsou uvedeny v přílohách dle následujícího seznamu. Označení přílohy = = název souboru Trasa FABD1 areál VŠB-TUO Klimkovice FABD2 Klimkovice areál VŠB-TUO FABD5 areál VŠB-TUO Opava FABD6 Opava Bílovec FABD7 Bílovec Klimkovice FABD8 Ostrava Bohumín FABD1 nájezd Klimkovice směr Bohumín FABD11 směr Bohumín FABD12 směr hran. přechod Chalupki FABD13 Ostrava-Přívoz areál VŠB-TUO FABD14 areál VŠB-TUO Petřvald FABD15 Petřvald Kopřivnice FABD16 1 rychlostní okruh, doleva FABD17 1 rychlostní okruh, doleva FABD18 1 rychlostní okruh, doleva FABD19 1 rychlostní okruh, doleva FABD2 3 okruh svahů, přímý úsek, svah 1% nahoru FABD21 3 okruh svahů, přímý úsek, svah 1% nahoru FABD22 3 okruh svahů, přímý úsek, svah 6% nahoru FABD23 3 okruh svahů, přímý úsek, svah 6% nahoru FABD24 17b strmý svah 17%, nahoru FABD25 18 strmý svah 22% FABD26 17b strmý svah 17%, nahoru FABD27 12 dlážděná vozovka FABD28 12 dlážděná vozovka FABD29 13 sinusová rezonanční vozovka, vlny ve fázi FABD3 13 sinusová rezonanční vozovka, vlny v protifázi FABD31 Příbor Studénka FABD33 Studénka areál VŠB-TUO FABD34 areál VŠB-TUO Ostrava centrum FABD35 Ostrava centrum O.-Michálkovice FABD36 O.-Michálkovice O.-Radvanice FABD37 O.-Radvanice areál VŠB-TUO 32